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生命体内的氧活化


化学先生 / 2019-07-31

        大自然之所以选择氧气作为氧化剂,通过呼吸和有氧运动,维持生命的运动和循环,是因为氧在常温下很安全且性能奇特。首先O2作为一种活泼的氧化剂,可以使碳水化合物转化为CO2和H2O,从而释放出能量。


        从热力学角度看,几乎所有的生物分子和O2的氧化反应,在热力学上都是有利的。然而,在生命体所处的自然环境中,氧又是非常稳定的。尽管空气中含有大约20%的氧,但在常温常压条件下,生命体和有机物绝不会发生“自燃”。将O2的热力学性质与其它类似的双原子分子,例如I2相比较,它们的氧化还原电位分别为0.682V和0.535V,二者十分接近。然而,人们却无法在含20%I2的环境中生存,而在含20%O2的空气中则能生活得很滋润。这是由于O2是一种顺磁性物质,分子氧与所有有机物的反应都是自旋禁阻过程,在动力学上必须克服巨大的势垒。因此在常温常压下反应进行的速率很慢,只有到达一定温度,O2才能使有机物发生可观察到的氧化反应,甚至所谓的“自燃”。

        从催化化学角度而言,在热力学上可以自发进行的许多反应,在常温常压下反应速率都很慢。为了克服势垒使反应加快进行,必须通过提高反应温度来获得活化能,而且在多数情况下还需要添加催化剂,通过催化剂与反应物形成过渡中间态,降低势垒提高反应速率,但不能改变热力学平衡。为保护生命体和有机物不在高温下发生氧化和自燃,自然界为温和条件下的氧活化设计了一类天然的过渡金属配合物催化剂一加氧酶 (oxygenase)。 它们的独特功能是在维持生命体正常生存和活动的温度下,能够巧妙地活化分子氧,为适应不同催化功能的要求,其结构在生物进化过程中,也在不断改变和进化,细胞色素P450就是该类加氧酶中最具代表性的一种。
 

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